金屬合金的塑性變形

關(guān)于金屬合金的塑性變形第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理§6-1金屬的變形特性

§6-2單晶體金屬的塑性變形

§6-3多晶體的塑性變形

§6-4合金的塑性變形

§6-5

塑性變形對金屬組織和性能的影響

§6-6金屬的斷裂主要內(nèi)容第2頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理試件產(chǎn)生彈性變形金屬材料承受靜載荷時會發(fā)生變形。在載荷較小時，這種變形是彈性變形，卸載后材料恢復(fù)原狀。

當(dāng)外力超過一定限度后，材料將發(fā)生塑性變形，卸載后材料不能恢復(fù)原狀。

彈性變形→塑性變形→斷裂載荷增大§6-1金屬的變形特性

第3頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理材料受力后的受力狀態(tài)和變形特征可用應(yīng)力－應(yīng)變曲線來描述。材料受外力P作用后產(chǎn)生的應(yīng)力:(P－載荷,Ao試樣原始面積)應(yīng)變：(l0－試樣的原始長度，

l－試樣變形后的長度)一、應(yīng)力－應(yīng)變曲線

第4頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理工程應(yīng)力－應(yīng)變曲線曲線：→彈性變形階段彈性極限：彈塑性變形階段對于無明顯屈服的金屬材料，規(guī)定以產(chǎn)生0.2%殘余變形的應(yīng)力值為屈服極

0.2限（條件屈服極限或屈服強(qiáng)度）屈服極限、屈服點(diǎn)加工硬化（形變強(qiáng)化）：隨著塑性變形的增大，塑性變形后抗力不斷增加的現(xiàn)象頸縮→

↓斷裂斷裂后試樣的殘余總變形量與原始長度Lo的百分比稱為延伸率試樣的橫截面積Ao和斷裂時的橫截面積Ak之差與原橫面積Ao的百分比稱為斷面收縮率ψψ第5頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理真應(yīng)力（S）：瞬時載荷（P）除以試樣的瞬時截面積（A）真應(yīng)變（de）：瞬時伸長量（dl）除以瞬時長度總應(yīng)變：均勻塑性變形階段（從屈服點(diǎn)至最大載荷點(diǎn)）的真應(yīng)力一真應(yīng)變曲線稱為流變曲線

K：常數(shù)

n：形變強(qiáng)化指數(shù)表征金屬在均勻變形階段的形變強(qiáng)化能力，n↑→形變強(qiáng)化能力↑二、真應(yīng)力一直應(yīng)變曲線

第6頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理1、彈性模量正彈性模量：切彈性模量：E．G↑→剛度↑（材料剛度）將構(gòu)件產(chǎn)生彈性變形的難易程度稱作構(gòu)件剛度材料剛度

結(jié)構(gòu)剛度2、彈性模量是反映原子間結(jié)合力大小的性能指標(biāo)原子偏離平衡位置，在平衡位置附近，原子間的結(jié)合力與位移的關(guān)系為直線關(guān)系與近似于直線關(guān)系三、金屬與合金的彈性變形

第7頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理§6.2單晶體金屬的塑性變形一、滑移滑移的顯微觀察由大量位錯移動而導(dǎo)致晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對的移動，即晶體塑性變形的滑移機(jī)制。第8頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理晶體的塑性變形是晶體的一部分相對于另一部分沿某些晶面和晶向發(fā)生滑動的結(jié)果，這種變形方式叫做滑移根據(jù)滑移線間、滑移帶間的原子距（一組小臺階在宏觀上的反映大臺階）→

滑移集中發(fā)生一些晶面上滑移帶滑移→滑移臺階→1、滑移帶

第9頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理晶體滑移沿一定晶面進(jìn)行，這種晶面稱為滑移面。晶體滑移在滑移面上沿一定的晶向進(jìn)行，該方向稱為滑移方向一個滑移面和此面上的一低頻滑移方向即組成一個滑移系。（表示晶體在發(fā)生滑移時滑移動作可能采取的空間位向）滑移系↑→

塑性↑從晶體結(jié)構(gòu)來看，滑移面是排列最密的晶面，滑移方向也是原則排列最密的晶面?；品较蛞彩窃瓌t最密的晶向。這是由于原子密度最大的晶面上，原子間結(jié)合力最強(qiáng)→面與面之間的距離最大，其原子間結(jié)合力最弱，滑移阻力最小。

2、滑移系

第10頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理晶體發(fā)生滑移時，在滑移面內(nèi)治滑移方向的分切應(yīng)力達(dá)到某一臨界值，該應(yīng)力稱作臨界切應(yīng)力。（使滑移系開動的最小分切應(yīng)力）臨界分切應(yīng)力取向因子當(dāng)時

為最大，→軟取向

或者說→

→硬取向

3、滑移的臨界分切應(yīng)力

第11頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理分切力：

分正力：

分切應(yīng)力：分切應(yīng)力——取向因子當(dāng)軟取向

而當(dāng)滑移的臨界分切應(yīng)力臨界

第12頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理拉伸時，Mg單晶體的取向因子與屈服應(yīng)力的關(guān)系

第13頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理分切應(yīng)力→滑移

分正應(yīng)力→轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動→軟取向逐漸遠(yuǎn)離軟取的位置→幾何硬化逐漸接近軟取的位置→幾何軟化，非軟取向4、滑移時晶體的轉(zhuǎn)動

第14頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理晶體的旋轉(zhuǎn)示意圖第15頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力σ可分為兩個分應(yīng)力：A：分正應(yīng)力（σ1σ2）垂直于滑移面，構(gòu)成力偶，使晶塊滑移面朝外力軸方向轉(zhuǎn)動。B：分切應(yīng)力當(dāng)外力分解到滑移面上的最大分切應(yīng)力與滑移方向不一致時，又可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個分力。前一分力是產(chǎn)生滑移的有效分切應(yīng)力，后一分力將構(gòu)成一對作用在晶塊上下滑移面上的力偶，力圖使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方向?！嗬鞎r，在產(chǎn)生滑移的過程中，晶體的位向在不斷改變，不僅滑移面在轉(zhuǎn)動，而且滑移方向也改變位向。第16頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理壓縮時晶體的轉(zhuǎn)動示意圖壓縮時晶體的滑移面，力圖轉(zhuǎn)至與壓力方向垂直的位置。（2）壓縮

第17頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理幾何硬化：

如果晶體滑移面原來是處于其法線與外力軸夾角接近45o的位向，經(jīng)滑移和轉(zhuǎn)動后，就會轉(zhuǎn)到此夾角越來越遠(yuǎn)離45o的位向，從而使滑移變得越來越困難。幾何軟化：

經(jīng)滑移和轉(zhuǎn)動后，一些原來角度遠(yuǎn)離45o的晶面將轉(zhuǎn)到接近45o，使滑移變得容易進(jìn)行。（3）幾何硬化與幾何軟化第18頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理滑移方向滑移系滑移面加工硬化效果↑

在兩個或更多的滑移系上同時進(jìn)行的滑移稱為多滑移（與晶體的轉(zhuǎn)動有關(guān)）多滑移→5、多滑移

第19頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理6、滑移的位錯機(jī)制

晶體通過位錯運(yùn)動滑移的示意圖

第20頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理①位錯的運(yùn)動支晶體的滑移

滑移是位錯在切應(yīng)力作用下沿著滑移面逐步移動形成的。③位錯的交割與塞積

多滑移時，由于各滑移面相交，在不同滑面上運(yùn)動著的位錯相遇，發(fā)生相互交割，交割的結(jié)果形成割階。②

位錯的增殖——弗蘭克－瑞德位錯源在切應(yīng)力作用下，弗蘭克-瑞德位錯源所產(chǎn)生的大量位錯沿滑移面運(yùn)動過程中，如果遇到障礙物（固定位錯，雜質(zhì)粒子、晶界等）的阻礙領(lǐng)先的位錯在障礙前被阻止，后續(xù)的位錯被堵塞起來，形成位錯的平面積群，并在障物的前端形成高度應(yīng)力集中。第21頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理二、孿生晶體在切應(yīng)力作用下發(fā)生孿生變形時，晶體的一部分治一定的結(jié)晶面（孿晶面或?qū)\生面）和一定的晶向（孿生方向）相對而言于另一部分晶體作均勻地切變，在切變區(qū)域內(nèi)，與孿晶面平等的每層原子的切變量與它距孿晶面的距離成正比，并且不是原子距的整數(shù)倍，這種切變不會改變體的點(diǎn)陣類型，但可使變形部分的位向發(fā)生變化，并與末變形部分的晶體以孿晶面為分界構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系。對稱的兩部分晶體稱為孿晶，或雙晶。形成孿晶的過程稱為孿生第22頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理FCC中，每層（111）面都相對于其鄰晶沿[1，1，-2]方向位移了1/3d[1，1，-2]。面心立方晶體的孿生變形過程示意圖

第23頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理變形孿晶也是通過位錯的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，可看作是部分位錯滑過孿晶面一側(cè)的切變區(qū)中各層晶面而進(jìn)行的體心立方晶體中的孿晶

(a)(112)面的堆垛順序(b)孿晶的堆垛順序第24頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理

（1）孿生是一部分晶體沿孿晶面相對于另一部分晶體作切變，切變時原子移動的距離是孿生方向原子間距的分?jǐn)?shù)倍；孿生是部分位錯運(yùn)動的結(jié)果；孿晶面兩側(cè)晶體的位向不同，呈鏡面對稱；孿生是一種均勻的切變；孿晶浸蝕后有明顯的襯度，經(jīng)拋光與浸蝕后仍能重現(xiàn)。2．孿生的特點(diǎn)

第25頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理

（2）孿晶的萌生一般需要較大的應(yīng)力，但隨后長大所需的應(yīng)力較小，其拉伸曲線呈鋸齒狀。孿晶核心大多是在晶體局部高應(yīng)力區(qū)形成。變形孿晶一般呈片狀。變形孿晶經(jīng)常以爆發(fā)方式形成，生成速率較快。孿生的特點(diǎn)第26頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理

（3）形變孿晶常見于密排六方和體心立方晶體（密排六方金屬很容易產(chǎn)生孿生變形），面心立方晶體中很難發(fā)生孿生。（4）孿生本身對金屬塑性變形的貢獻(xiàn)不大，但形成的孿晶改變了晶體的位向，使新的滑移系開動，間接對塑性變形有貢獻(xiàn)。孿生的特點(diǎn)第27頁,共52頁，星期六，2024年，5月

滑移孿生相同點(diǎn)1均勻切變；2沿一定的晶面、晶向進(jìn)行；3不改變結(jié)構(gòu)；4都是位錯運(yùn)動的結(jié)果。不同點(diǎn)

晶體位向不改變（對拋光面觀察無重現(xiàn)性）。改變，形成鏡面對稱關(guān)系（對拋光面觀察有重現(xiàn)性）位移量滑移方向上原子間距的整數(shù)倍，較大。小于孿生方向上的原子間距，較小。對塑變的貢獻(xiàn)很大，總變形量大。有限，總變形量小。變形應(yīng)力有一定的臨界分切壓力所需臨界分切應(yīng)力遠(yuǎn)高于滑移變形條件一般先發(fā)生滑移滑移困難時發(fā)生變形機(jī)制全位錯運(yùn)動的結(jié)果分位錯運(yùn)動的結(jié)果滑移與孿生異同比較第六章金屬與合金的塑性變形

第28頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理特點(diǎn)：

1、多晶體的塑性變形受到晶界的陰礙和位向不同的晶粒的影響

2、任何一個晶粒的塑性變形都不是處于獨(dú)立的自由變形狀態(tài)，需要其周圍的晶粒同時發(fā)生相適應(yīng)的變形來配洽，以保持晶料之間的結(jié)合和整個物體的連續(xù)性。鋅的單晶和多晶的拉伸曲線

銅多晶試樣拉伸后形成的滑移帶,x173倍§6-3多晶體的塑性變形

第29頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理外力→位向最有利的晶粒塑性變形→塑性變性晶料內(nèi)痊錯運(yùn)動，增殖→位錯在晶界受阻，形成平面寒積群，→晶界應(yīng)力集中→相鄰晶粒某些滑移學(xué)上的分切應(yīng)力達(dá)到監(jiān)界值，發(fā)生塑性變形，協(xié)調(diào)晶粒形狀。

多晶體變形每晶粒變形的不同時性每晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性一、多晶體的塑性變形過程

第30頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理d↓→晶界面積↑晶界強(qiáng)化↑（）霍爾—配奇公式：

——常數(shù)大體相當(dāng)于單晶體金屬的屈服治療；d——晶粒的平均直徑；

K——表征晶界對強(qiáng)度影響程度的常數(shù)。二、晶粒大小對塑性變形的影響

第31頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理滑移從先塑性的晶粒轉(zhuǎn)移到相鄰晶粒，取決于已滑移晶粒晶界附近的位錯塞集群所產(chǎn)生的應(yīng)力集中，能否激發(fā)相鄰晶?；茖W(xué)中的位錯源開動起來。屈服

第32頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理§6-4合金的塑性變形多相合金：加入的合金元素超過了它在基本金屬中的飽和溶解度合金單相固體合金：有以基本金屬為基的單相固溶體組織的合金在顯微組織中除了以基本金屬為基的固體外，還會出現(xiàn)第二相的合金第33頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理1、固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子→晶格畸變→阻礙位錯運(yùn)動位錯線上偏聚的溶質(zhì)原子→釘扎位錯（柯氏氣團(tuán)）（偏聚于位錯周圍的溶質(zhì)原子好象形成了一處溶質(zhì)原子的“氣團(tuán)”稱為“柯氏氣團(tuán)”)位錯運(yùn)動↓柯氏氣團(tuán)→晶格畸形變能↓→位錯處于較穩(wěn)定狀態(tài)→一、多晶體的塑性變形過程

第34頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理2、合金元素固溶強(qiáng)化的規(guī)律第35頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理1、合金中兩相性能相近合金的變形能為兩相的平均值：兩相的強(qiáng)度極限：兩相的體積分?jǐn)?shù)三、多相合金中兩相性能相近

第36頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理

①硬而脆的第二相呈連續(xù)網(wǎng)線布在塑性相的晶界上脆性相在空間把塑性相分割開，使其變形能力元從發(fā)揮，合金的塑性和韌性急劇下降

②脆性的第二相呈片狀或?qū)訝罘植荚谒苄韵嗟幕w上（霍爾一配奇火式）

——鐵素體的屈服強(qiáng)度——材料常數(shù)——珠光體片間距2、合金中兩相的性能解相差很大

第37頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理彌散粒子

→

與位錯交互作用

→

位錯運(yùn)動受阻

→

塑性變化后后抗力↑A、位錯繞過第二相粒子G——彈性模量B——柏氏矢量第二相粒子間距第二相粒子借粉末冶金方法加入基體而起強(qiáng)化作用，稱為彌散強(qiáng)化B、位錯切過第二相粒子第二相粒子是硬度不太高尺寸也不大的可變形的第二相粒子，或者是過飽和固溶體時效處理初期產(chǎn)生的共格析出相，則運(yùn)動著的位錯與其相遇時，將切過粒子與基體一起變形

位錯切過第二相粒子時必須作額外的功，消耗是夠大的能量，從而提高合金的強(qiáng)度，這種強(qiáng)化方式稱為沉淀強(qiáng)化。

③脆性相在塑相中呈顆粒狀分布

第38頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

第39頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理§6-5

塑性變形對金屬組織和性能的影響

織構(gòu)

→

各向異性一、塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響1、顯微組織的變化軋制

→

纖維組織2、亞結(jié)構(gòu)的細(xì)化應(yīng)力

→

運(yùn)動受阻

→

位錯發(fā)團(tuán)

→

形變亞結(jié)構(gòu)3、變形織構(gòu)晶體塑性變形時伴隨著晶體的轉(zhuǎn)動過程，當(dāng)變形量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸調(diào)整其取向而彼此趨于一致由于塑性變形而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做“變形織構(gòu)”

A、絲織構(gòu)：拉拔B、板織構(gòu)：軋制第40頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理二、塑性變形對金屬性能影響1、加工硬化

隨著變形程度的增加，金屬的強(qiáng)度、硬度增加，而塑性、韌性下降，這種現(xiàn)稱為加工硬化（形變強(qiáng)化）。

塑性變形

→

位錯密度↑→

交割

→

割階、位錯纏結(jié)

→

位錯運(yùn)動受阻

→

強(qiáng)度↑3、其它性能比電阻↑導(dǎo)電性能↓電阻溫度系數(shù)↓第41頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理三、殘余應(yīng)力1、宏觀內(nèi)應(yīng)力（第一類內(nèi)應(yīng)力）由于物體各部分的不均勻變形所引起的。2、微觀內(nèi)應(yīng)力（第二類內(nèi)應(yīng)力）金屬經(jīng)冷塑性變形后，由于晶?；騺喚ЯＷ冃尾痪鶆蚨鸬?。3、點(diǎn)陣畸變（第三類內(nèi)應(yīng)力）塑性變形使金屬內(nèi)部產(chǎn)生大量的位錯和空位，使點(diǎn)陣中的一部分原子，偏離其平衡位置，造成點(diǎn)陣畸變。第42頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理§6-6金屬的斷裂

過程裂紋的萌生裂紋的擴(kuò)展了解了材料的斷裂機(jī)理，才能采取相應(yīng)的防止措施。斷裂有可能是因為材料的脆性，長期交變應(yīng)力的作用，在腐蝕介質(zhì)條件下工作等。但從斷裂的模式看可分為脆性（Brittle）和延性（Ductile）斷裂。下面討論在單向拉伸條件下的延性和脆性斷裂過程。

第43頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理1、從工程實(shí)用角度

①宏觀塑性斷裂（塑料、韌斷）

斷裂前產(chǎn)生宏觀大范圍的塑性變形。

②

宏觀脆性斷裂（脆斷低、應(yīng)力斷裂）

從宏觀看斷裂前不產(chǎn)生塑性變形，但在局部區(qū)域仍存在一定的的塑性變形塑性斷口的SEM照片脆性斷口試樣一、斷裂分類

第44頁,共52頁，星期六，2024年，5月第六章金屬與合金的塑性變形

金屬學(xué)與熱處理①

壞離純剪壞斷裂。

在壞應(yīng)力的作用下，純金屬可單體金屬沿滑移面滑移，造成沿滑移面分離而斷裂②

微孔聚集型斷裂。

在外力作用下，由于強(qiáng)烈滑移，在某些夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)形成顯微孔洞，這些孔洞在壞應(yīng)力作用下，不斷聚集連接而長大，并同時產(chǎn)生一些新的孔洞，最終導(dǎo)致